KR20080114498A - 입자집속관을 구비하는 레이저 유도 플라즈마 분광분석장치 - Google Patents
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Abstract
미세입자 측정이 가능한 입자집속관을 구비하는 레이저 유도 플라즈마 분광 분석장치가 개시되어 있다. 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치는 샘플 챔버, 샘플 챔버에 연결되고, 샘플 챔버 내에 집속된 입자빔을 제공하는 입자집속관, 샘플 챔버에 연결되고, 집속된 입자빔에 레이저를 조사하는 레이저발생기 및 샘플 챔버에 연결되고, 레이저가 조사된 입자빔으로부터 방출된 광을 검출하는 스펙트로미터를 포함한다.
레이저 유도플라즈마 분광 분석장치, 입자집속관, 입자모음판
Description
본 발명은 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입자집속관을 구비하는 레이저 유도 플라즈마 분광 분석장치에 관한 것이다.
레이저 유도 플라즈마 분광 분석장치(LIBS; Laser Induced Breakdown Spectroscopy)는 샘플에 레이저를 조사하여 마이크로 플라즈마 상태로 만든 후 여기된 샘플로부터 방출되는 스펙트럼을 분석함으로써 샘플의 화학적 조성을 확인할 수 있는 장치이다.
레이저 유도 플라즈마 분광 분석장치는 샘플 준비 시간이 필요 없어 실시간 분석이 가능하고 다양한 샘플 상태에 적용할 수 있는 장점이 있다.
그러나 종래의 레이저 유도 플라즈마 분광 분석장치는 미세입자의 경우 장치의 내부에서 분산되어 분석할 정도의 입자를 모으기 어려우므로 분석효율이 떨어지는 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 미세입자 측정이 가능한 입자집속관을 구비하는 레이저 유도 플라즈마 분광 분석장치를 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치는 샘플 챔버, 상기 샘플 챔버에 연결되고, 상기 샘플 챔버 내에 집속된 입자빔을 제공하는 입자집속관, 상기 샘플 챔버에 연결되고, 상기 집속된 입자빔에 레이저를 조사하는 레이저발생기 및 상기 샘플 챔버에 연결되고, 상기 레이저가 조사된 입자빔으로부터 방출된 광을 검출하는 스펙트로미터를 포함하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치를 제공한다.
상기 입자집속관은 시스공기 집속 노즐 또는 공기 역학 렌즈일 수 있다.
상기 시스공기 집속 노즐은 입자 유입구, 시스공기 유입구, 상기 입자 유입구에 연결된 입자 유동관, 상기 시스공기 유입구에 연결되고 상기 입자 유동관을 둘러싸는 시스공기 유동관, 및 상기 입자 유동관과 상기 시스공기 유동관의 말단에 연결되어 폭이 점차로 감소하는 배출구를 구비할 수 있다.
상기 공기역학렌즈는 입자 유입구, 상기 입자 유입구에 연결된 입자 유동관, 상기 입자 유동관 내에 서로 이격하여 배열되고 관통공을 구비하는 다수 개의 박판들, 및 상기 입자 유동관에 연결된 입자 배출구를 포함할 수 있다.
상기 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치는 상기 샘플 챔버와 연결되고 상기 집속된 입자빔을 모으기 위한 입자모음모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 입자모음모듈은 상기 집속된 입자빔이 쌓이는 입자모음판 및 상기 입자모음판의 위치를 이동시키기 위한 위치조절기를 포함할 수 있다.
상기 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치는 상기 레이저 발생기와 상기 입자모음판 사이에 광집속소자를 구비할 수 있다.
상기 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치는 상기 스펙트로미터와 상기 입자모음판 사이에 광집속소자를 구비할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 입자집속관을 통해 입자빔을 챔버 내에 집속시킬 수 있으므로, 레이저빔의 조사에 의한 플라즈마 발생량을 더 증가시킬 수 있고, 에어로졸 입자와 같은 미세입자의 정성 및 정량 측정이 가능해질 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치(LIBS; Laser Induced Breakdown Spectroscopy)는 샘플 챔버(110), 입자집속관(120), 플라즈마발생기(140) 및 스펙트로미터(150)를 포함할 수 있다.
상기 샘플 챔버(110)는 후술하는 플라즈마가 발생되는 곳으로 샘플 챔버(110)는 장착하고자 하는 구성요소의 개수만큼 연결구들(115)을 형성할 수 있다. 상기 연결구(115)는 한 개 내지 여섯 개일 수 있다.
상기 연결구(115)는 후술하는 입자집속관(120), 플라즈마발생기(140) 또는 스펙트로미터(150)가 연결될 수 있으며, 상기 연결구(115)에 연결된 구성요소 외에도 입자모음모듈(130) 또는 진공펌프(미도시)를 연결할 수 있다.
상기 입자집속관(120)은 상기 샘플 챔버(110)에 연결될 수 있으며, 상기 샘플 챔버(110) 내에 집속된 입자빔을 제공할 수 있다. 상기 입자집속관(120)은 공기역학렌즈일 수 있다.
상기 레이저발생기(140)는 상기 샘플 챔버(110)에 연결될 수 있으며, 상기 입자집속관(120)에 의해 집속된 입자빔에 레이저를 조사할 수 있다. 상기 레이저발생기(140)는 고체레이저, 기체레이저 또는 엑시머레이저일 수 있다. 예컨대, 상기 고체레이저는 루비 또는 Nd:YAG 레이저일 수 있으며, 상기 기체레이저는 Co2 또는 N2레이저일 수 있다.
스펙트로미터(150)는 상기 샘플 챔버(110)에 연결될 수 있고, 상기 스펙트 로미터(150)는 상기 레이저발생기(140)와 마주보는 면에 형성될 수 있다. 상기 스펙트로미터(150)는 레이저가 조사된 입자빔으로부터 방출된 광을 검출할 수 있다.
상기 입자모음모듈(130)은 상기 샘플 챔버(110)에 연결될 수 있으며, 상기 입자집속관(120)과 마주보는 면에 형성될 수 있다. 상기 입자모음모듈(130)은 입자집속관(120)으로부터 집속된 입자빔을 모으기 위해 구비될 수 있다.
상기 입자모음모듈(130)은 입자모음판(131) 및 위치조절기(136)를 가질 수 있으며, 상기 입자모음모듈(130)은 제1 지지대(132a), 제2 지지대(132b), 제1 홀더(134a) 및 제2 홀더(134b)를 더 가질 수 있다.
상기 레이저발생기(150)와 상기 입자모음판(131) 사이 및 상기 입자모음판(131)과 상기 스펙트로미터(150) 사이에는 각각 제1 광집속소자(142) 및 제2 광집속소자(152)를 구비할 수 있다.
상기 광집속소자들(142,152)은 수십 cm의 초점을 가질 수 있으며, 상기 광집속소자들(142,152)은 오목거울 또는 오목렌즈일 수 있다.
상기 레이저발생기(140)로부터 발생된 레이저빔은 제1 광집속소자(142)에 의해 집광되어 스팟(spot) 사이즈가 작아지며, 스팟 사이즈가 작아진 레이저빔은 상대적으로 출력밀도가 높아질 수 있다.
이처럼 높은 출력밀도를 갖는 레이저빔이 입자모음판(131)에 집속된 입자빔에 조사되면, 입자빔과 레이저빔의 충돌에 의해 표면에 에너지가 생성되고, 입자는 안정된 바닥 상태로부터 여기되어 입자 내부에서 이온이 발생된다. 이와 같이 내부에서 이온이 발생되면 동시에 충격파(shock wave)가 생겨 플라즈마가 발생될 수 있 다.
이 때 발생된 플라즈마는 높은 여기온도(Excitation temperature)를 가지므로 광을 발생시킨다.
상기 발생된 광은 제2 광집속소자(152)를 통해 다시 집광되며 상기 집광된 광은 스펙트로미터(150)에 의해 입자의 정성과 정량을 측정할 수 있다.
만약, 입자모음판(131)을 포함한 상기 입자모음모듈(130)이 구비되지 않는 경우에도, 상기 입자집속관(120)에서 나온 입자빔은 일정 거리 정도는 집속된 상태를 유지하므로 상기 집속된 입자빔에 레이저빔을 조사하여 플라즈마를 발생시킬 수도 있다. 그러나, 상기 입자모음판(131)을 구비하는 경우에는 상기 입자모음판(131) 상에 보다 많은 입자들을 모을 수 있으므로, 레이저빔의 조사에 의한 플라즈마 발생량을 더 증가시킬 수 있고 이로 인해 입자의 정성 및 정량 측정을 더 정확하게 수행할 수 있다.
상기 진공펌프(미도시)는 상기 샘플 챔버(110)에 연결될 수 있으며, 상기 샘플 챔버(110)의 내부를 진공 상태로 유지시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 공기역학렌즈의 입자집속과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 공기역학렌즈(120)는 입자가 유입되는 유입구(122), 상기 입자 유입구에(122) 연결된 입자 유동관(123), 상기 입자 유동관(123) 내에 서로 이격하여 배열되고 관통공(128)을 구비하는 다수개의 박판들(126) 및 상기 입자 유동관(123)에 연결된 입자 배출구(124)를 포함할 수 있다.
상기 입자는 상기 관통공(128)을 빠져나오면서 유속이 증가될 수 있는데, 입자의 유속 변화에 따라 입자의 분산 폭이 변화된다.
즉, 상기 입자는 몇 개의 박판(126)에 형성되어 있는 각각의 관통공(128)을 통과할 때마다 상대적인 입자의 분산 폭이 점차 감소하고, 최종적으로 입자 배출구(124)로 빠져나오는 입자는 굉장히 적은 폭을 갖을 수 있으므로, 입자빔이 제공될 수 있다. 이처럼 집속된 입자빔은 입자모음판(도 1의 131)에 쌓일 수 있다.
또한, 상기 각각의 박판(126)들에 형성된 관통공들(128)의 크기 및 상기 박판들(126) 간의 간격을 변화시킬 수 있는데, 상기 관통공들(128)은 유입구(122)로부터 배출구(124)로 갈수록 상기 관통공들(128)의 크기는 줄어들 수 있다. 예컨대, 상기 관통공들(128)을 5개 형성할 경우 상기 관통공들(128)의 크기는 5mm, 4.5mm, 4mm, 3mm 및 2.5mm로 형성할 수 있다.
이와 같이 관통공들(128)의 크기를 줄이면, 상대적인 입자의 분산 폭을 더 줄일 수 있고, 상기 입자들이 상기 관통공(128)을 빠져나가는 압력을 낮출 수 있기 때문에 입자들의 투과효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 유입구(122)로부터 배출구(124)로 살수록 상기 박판들(126) 간의 간격도 좁힐 수 있다. 이처럼 박판들(126) 간의 간격을 좁히면, 상기 관통공(128)들을 통과하는 속도가 빨라지기 때문에 더 많은 입자빔이 제공될 수 있다.
상기 입자는 에어로졸 입자일 수 있으며, 입자집속관(120)은 석영관, 유리관 또는 스테인레스 스틸관일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 입자모음모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 입자모음모듈(130)은 입자모음판(131) 및 위치조절기(136)를 가질 수 있으며, 상기 입자모음모듈(130)은 제1 지지대(132a), 제2 지지대(132b), 제1 홀더(134a) 및 제2 홀더(134b)를 더 가질 수 있다.
상기 제1 홀더(134a)를 기준으로 상기 입자모음판(131), 지지대(132a) 및 제2 지지대(132b)는 상기 샘플 챔버(110) 내에 형성될 수 있으며, 상기 제2 홀더(134b) 및 위치조절기(136)는 상기 샘플 챔버(110)의 외부에 형성될 수 있다.
상기 제1 홀더(134a)는 연결구(115)의 크기에 상응하는 크기를 가질 수 있으며, 상기 연결구(115)에 장착되어 상기 샘플 챔버(110)와 연결될 수 있다. 상기 홀더들(134a,134b)는 스테인레스 스틸 또는 구리일 수 있다.
상기 입자모음판(131)과 제1 지지대(132a) 사이는 제1 힌지(138a)를 형성하여 입자집속관(120)의 수직선과 입자모음판(131)의 법선이 이루는 각도를 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 지지대(132a)와 제2 지지대(132b) 사이에는 상기 제1 힌지축(138a)에서 90° 회전된 제2 힌지(138b)를 구비하여 상기 입자모음판(131)의 위치를 변화시킬 수 있다.
상기 위치조절기(136)는 상기 입자모음판(131)을 축을 기준으로 360° 회전시킬 수 있는 회전 조절기(136a)와 상기 입자모음판(131)을 상하의 위치를 이동시킬 수 있는 상하조절기(136b)를 포함할 수 있다.
상기 입자모음판(131)은 제1 지지대(132a)의 일부에 연결되고, 상기 입자모음판(131)과 연결되지 않은 제2 지지대(132b)의 일부는 상기 제1 홀더(134a) 및 제 2 홀더(134b)에 관통하여 연결될 수 있다. 상기 제1 홀더(134a) 및 제2 홀더(134b)에 관통된 제2 지지대(132b)의 끝부분은 상기 회전 조절기(136a)와 연결될 수 있다.
상기 제1 홀더(134a)의 바깥면은 나사가 삽입될 수 있는 홈이 구비될 수 있는데 상기 홈을 통해 상하조절기(136b)의 일부가 삽입될 수 있고, 상기 상하조절기(136b)의 반대쪽 일부는 제2 홀더(134b)에 관통하여 형성될 수 있다.
상기 입자모음판(131)은 유리, 석영 또는 세라믹일 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 플라즈마 분광분석 장치의 연속측정방법을 나타내는 모식도이다. 도 4a 내지 도 4b에 나타낸 입자모음모듈(130)은 상기 도 3에서 설명한 입자모음모듈(130)과 동일하며, 이에 따라 입자모임모듈(130)의 구조에 대한 설명은 생략한다.
도 4a를 참조하면, 제1 힌지축(138a)에 의해 일정 각도로 기울어져 있는 입자모음판(131)의 일부분(a) 상에 입자집속관(120)으로부터 집속된 입자빔이 쌓일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상하조절기(136b)를 돌려 이의 일부가 제1 홀더(134a)의 홈으로부터 하부로 빠져나오게 되면, 상기 상하조절기(136b)가 고정되어 있는 상기 제2 홀더(134b)가 하부로 이동하고, 이에 따라 상기 지지대들(132a, 132b)이 하부로 이동한다. 그 결과, 상기 제1 힌지축(138a)에 의해 일정 각도로 기울어져 있는 상기 입자모음판(131)은 아래로 이동하게 된다. 따라서, 그 후 입자집속관(120)으로부터 방출된 입자빔(b)은 상기 입자모음판(131)의 윗 부분(b)에 집속된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 5에서는 후술하는 것을 제외하고는 상기 도 1의 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치의 구성과 유사할 수 있다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도플라즈마 분광 분석 장치는 샘플 챔버(110), 입자집속관(120), 플라즈마발생기(140) 및 스펙트로미터(150)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치는 입자모음모듈(130)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 입자집속관(120)은 시스공기 집속 노즐일 수 있다.
도 6는 도 5에 도시된 시스공기 집속 노즐의 입자집속과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 시스 공기 집속 노즐은 입자 유입구(122a), 시스공기 유입구(122b), 상기 입자 유입구(122a)에 연결된 입자 유동관(123a), 상기 시스공기 유입구(122b)에 연결되고 상기 입자 유동관(123a)을 둘러싸는 시스공기 유동관(123b), 및 상기 입자 유동관(123a)과 상기 시스공기 유동관(123b)의 말단에 연결되어 폭이 점차로 감소하는 배출구(124)를 구비할 수 있다.
상기 입자 유입구(122a) 및 상기 시스공기 유입구(122b)로부터 입자가 유입되면, 각각의 입자 유동관(123a) 및 시스공기 유동관(123b)을 따라 이동하며, 상기 입자와 시스공기는 상기 배출구(124)에서 병합될 수 있다.
이때, 상기 입자는 점차 폭이 좁아지는 형상의 배출구(124)에 의해 저항을 받게 되며, 바깥면으로부터 감싸져 나오는 시스 공기의 유압으로 인해 입자가 분산 되지 않고 가운데로 집속될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 공기역학렌즈의 입자집속과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 입자모음모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 플라즈마 분광분석 장치의 연속측정방법을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 유도플라즈마 분광 분석 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6는 도 5에 도시된 시스공기 집속 노즐의 입자집속과정을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 샘플 챔버 120: 입자집속관
130: 입자모음모듈 140: 레이저발생기
150: 스펙트로미터
Claims (8)
- 샘플 챔버;상기 샘플 챔버에 연결되고, 상기 샘플 챔버 내에 집속된 입자빔을 제공하는 입자집속관;상기 샘플 챔버에 연결되고, 상기 집속된 입자빔에 레이저를 조사하는 레이저발생기; 및상기 샘플 챔버에 연결되고, 상기 레이저가 조사된 입자빔으로부터 방출된 광을 검출하는 스펙트로미터를 포함하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 입자집속관은 시스공기 집속 노즐 또는 공기 역학 렌즈인 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 시스공기 집속 노즐은 입자 유입구, 시스공기 유입구, 상기 입자 유입구에 연결된 입자 유동관, 상기 시스공기 유입구에 연결되고 상기 입자 유동관을 둘러싸는 시스공기 유동관, 및 상기 입자 유동관과 상기 시스공기 유동관의 말단에 연결되어 폭이 점차로 감소하는 배출구를 구비하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 공기역학렌즈는,입자 유입구, 상기 입자 유입구에 연결된 입자 유동관, 상기 입자 유동관 내에 서로 이격하여 배열되고 관통공을 구비하는 다수 개의 박판들, 및 상기 입자 유동관에 연결된 입자 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 샘플 챔버와 연결되고, 상기 집속된 입자빔을 모으기 위한 입자모음모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 입자모음모듈은,상기 집속된 입자빔이 쌓이는 입자모음판; 및상기 입자모음판의 위치를 이동시키기 위한 위치조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 레이저 발생기와 상기 입자모음판 사이에 광집속소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 유도플라즈마 분광 분석장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 스펙트로미터와 상기 입자모음판 사이에 광집속소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도플라즈마 분광 분석장치.
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